康曉燕++金惠瑛++馬玉巖++韓輝邦++張博越

摘要 利用2008—2012年西寧雷達資料和探空資料對冰雹和強降水天氣的物理量和雷達參數特征進行了對比分析。結果表明：①較強的低空垂直風切變有利于降雹天氣生成，較低的0 ℃層和-20 ℃層高度也是利于冰雹云形成的重要參數。②所有冰雹云的組合反射率均≥55 dBz，占75%在60～65 dBz之間；降雹時回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%；當冰雹天氣出現時，大部分雹云的最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，其比例為80%，最高可達40 kg/m2。③利用45 dBz回波頂高可較好地識別冰雹云，當強回波高度達到8.0 km時預示有冰雹出現，其臨界成功指數達85%。

關鍵詞 冰雹；探空資料；雷達參數；預警；青海省東北部

中圖分類號 P482 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）18-0250-03

Investigation on Early Identification and Warning of Hail Clouds in the Northeast of Qinghai Province

KANG Xiao-yan JIN Hui-ying MA Yu-yan HAN Hui-bang ZHANG Bo-yue

（Weather Modification Office of Qinghai Province，Xining Qinghai 810001）

Abstract The physical quantity and radar parameters characteristics of hail and strong precipitation weather in Xining were contrastively analyzed with radar data and sounding data from 2008 to 2012.The results show that：①When wind shear was stronger，the high of 0 ℃ and -20 ℃ wre lower，the production probability of hail weather was bigger.②All convective clouds，which come into hail，had an combined reflectivity ≥55 dBz，and 75%of the combined reflectivity were between 60-65 dBz.all the top high of echo were above 9 km，and 90% of the top high of echo of hailstorm clouds were 11 km or greater.There were 80% of hailstorm clouds which the maximum vertical liquid water content was more than 25 kg/m2 in proportion to all hailstorm clouds and the biggest reaches 40 kg/m2.③The hail clouds could be distinguished from strong convective clouds through echo height of the 45 dBz.When the height of the strong echo reaches 8.0 km，the hail will emerge with the 85%.

Key words hail；sounding data；radar parameters；early warning；the northeast of Qinghai Province

冰雹是世界范圍內的氣象災害之一，在青海省尤其如此。為了及時采取措施，防止冰雹發(fā)生，要及時準確地識別雹云?；诂F有的設備和技術條件，充分發(fā)揮探空、雷達資料實時、有效的識別雹云是人工防雹的前提和基礎。1997年葉篤正對通過探空資料來尋找對流發(fā)展的有利條件進行了闡述[1-2]；20世紀70年代以來，利用雷達資料建立冰雹云的識別技術和方法在國內外都有很多研究。目前，隨著探測技術水平的發(fā)展，探空、雷達等先進儀器的應用，對冰雹天氣特征的認識不斷深入，已有很多成熟的研究成果應用于冰雹預測。雷 蕾等利用探空資料詳細分析了2007年和2008年5—9月冰雹、雷暴大風以及暴雨強對流天氣過程下物理量的差異，結果表明：0 ℃層、-20 ℃層低空風切變能比較顯著地區(qū)分冰雹和暴雨天氣[3]；廖曉農等也用探空資料計算了CAPE、風切變等物理量，分析了北京歷史上一次嚴重的大雹事件。分析發(fā)現，對流層中下層較強的環(huán)境風垂直切變有利于多單體風暴或超級單體等強風暴云的發(fā)展，從而增加了冰雹出現的幾率[4]；李秀林等對2005—2006年渭南19個典型冰雹日的雷達產品進行統(tǒng)計分析得出，冰雹云的垂直積分液態(tài)水含量（VIL）值明顯大于雷雨云，VIL值的變化可以應用于預測降雹[5]；朱 平等研究結果表明，當降雹單體出現VIL的躍增量≥ 6 kg/m2、VIL 峰值≥15 kg/m2、VIL 密度>2.2 g/m2時，即有冰雹天氣發(fā)生[6]；湯興芝等利用雷達回波參量來判別宜昌地區(qū)冰雹云，發(fā)現用45 dBz 回波頂高可較好地識別冰雹云[7]；李金輝等對降雹造成災害的雷達回波分析表明，雷達強回波的45 dBz平均底部越高、提前識別的時間越長，頂部越高距離降雹時間越短[8]。

青海省地處青藏高原的東北部，境內高原地形變化大，有眾多高山。青海省的地理特點決定其多發(fā)強對流天氣[9]。目前已有的研究資料顯示，青海省冰雹發(fā)生的中心區(qū)域主要有2個，分別位于青海省南部和東北部，而導致災害的冰雹主要發(fā)生在青海省東北部（農業(yè)區(qū)）。在冰雹多發(fā)期，青海省東北部的主要農作物處于抽穗至成熟的發(fā)育階段，一旦發(fā)生雹災，會造成較大的損失[10]。因此，本文旨在找出適合該地區(qū)雹云的識別參量，為人工防雹消雹提供有價值的參考依據。endprint

1 資料與方法

本文利用的資料主要包括2個方面的內容：一是西寧二十里鋪探空站的探空資料、西寧南山雷達站觀測的雷達基數據資料；二是這2個觀測站所轄各縣（市）氣象局地面冰雹災情資料。資料的時間為2008—2012年6—9月。

選擇30塊對流云團的探空和雷達資料進行分析。在冰雹發(fā)生時，雷達探測到的時間與地面降雹的時間不一致。造成這一現象的原因主要有以下2個：一是冰雹降落到地面需要一定時間。二是收集到的地面降雹時間多為估計時間。因此，在進行參量分析時，對冰雹云主要取冰雹發(fā)生前4個體掃、冰雹發(fā)生時各次體掃和冰雹發(fā)生后4個體掃的參量變化特征，非降雹云團則取其整個生存期內各次體掃的參量變化，找出體掃過程中這些參量的最大值[7]。

30個對流云資料包括20個產生冰雹的資料和10個強降水資料。其中既出現冰雹又有強降水的天氣過程歸為冰雹天氣資料，強降水資料系無雹日過程。

本文主要分析了云體的組合反射率、回波頂高、垂直液態(tài)含水量及45 dBz回波頂高等雷達特征參數，并參考分析了探空資料垂直風切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等。

2 物理量分析

冰雹和強降水等中小尺度天氣的產生需有利的大尺度環(huán)境。該研究利用探空資料，選取垂直風切變、0 ℃層高、-20 ℃層高等參數，分析了冰雹和強降水天氣對應的環(huán)境參數。

2.1 垂直風切變

環(huán)境中存在垂直風切變與強對流單體的發(fā)展和維持存在密切的聯系[11]。強切變有利于對流性不穩(wěn)定層結形成，是冰雹增長的重要條件。圖1為2類對流天氣多個個例的低空垂直風切變散點分布圖。可以看出，冰雹500～700 hPa最小垂直風切變?yōu)? m/s，最大為24 m/s，平均垂直風切變達到11 m/s；400～500 hPa最小垂直風切變?yōu)?m/s，最大為25 m/s，平均為17 m/s。其平均較垂直風切變強降水的5 m/s和10 m/s都大。分析表明，低空垂直風切變是冰雹形成的必要條件。在強降水形成的過程中，垂直風切邊相對較弱[3]?？傊?，形成冰雹的有利條件是出現低空垂直風切變，較大的垂直風切變能維持或加強風暴的垂直結構。

2.2 0 ℃層高度和-20 ℃層高度

0 ℃層是云中水分凍結高度的下限，也是影響融化效應的因素之一。而-20 ℃層是大水滴自然成冰溫度，因此這2個溫度層的高度是判斷環(huán)境大氣是否有利于冰雹云形成的參數[4]。從圖2可以看出，冰雹的0 ℃層最小高度為3 130 m，最大高度5 675 m，平均高度約4 700 m。-20 ℃層最小高度為7 128 m，最大高度8 726 m，平均高度約7 800 m。這2個特性層的平均高度都要明顯低于強降水300～400 m。0 ℃層低使冰雹不容易在落地前融化，而強降水的0 ℃偏高使得固態(tài)物出云后融化形成雨滴到達地面。這也與相關的研究結果是一致的[3]。

3 雷達參數分析

3.1 雷達基本特征參數

組合反射率反映的是雷達體掃垂直氣柱中對所有回波強度進行比較在對應格點上顯示最大反射率因子值[12]。垂直液態(tài)水含量是將雷達體積掃描資料中的反射率因子值轉換成等價的液態(tài)水值，反映了降水云體中在某一確定底面積的垂直柱體內液態(tài)水的總量[7]。回波頂高是在≥18 dBz反射率因子被探測到時，顯示以最高仰角為基礎的回波頂高度。本文為了便于分析研究，回波頂高采用≥15 dBz反射率因子的最高高度。通過對雷達反射率因子做垂直剖面分析，可近似地得到雷達回波的頂高[13]。

從表1、2可以看出，所有冰雹云個例的組合反射率均 ≥55 dBz，最小的為55 dBz，最大的為70 dBz，其中15個組合反射率在60～65 dBz之間，占75%。另有3個組合反射率 <60 dBz，只有1個組合反射率>65 dBz。而強降水組合反射率均≥50 dBz，且90%集中在50～55 dBz之間。降雹時回波頂高均在9 km以上，其中回波頂高≥11 km的冰雹云占90%。50%強降水云的回波頂高>9 km，50%強降水云的回波頂高<9 km。當冰雹天氣出現時，大部分雹云的最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，其比例為80%，最高可達40 kg/m2，個別發(fā)生降雹的雹云甚至低于20 kg/m2。在無冰雹的對流云團中，大部分最大垂直液態(tài)含水量≤25 kg/m2，其比例為70%，其中最大的也可達35 kg/m2。因此，通過分析發(fā)現，僅利用組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等雷達基本特征參數，不能很好地辨別冰雹云和強降水云，但組合反射率 ≥55 dBz，回波頂高>9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個基本參考條件。

3.2 45 dBz回波頂高提前識別冰雹

根據Smith等提出的云內最初冰雹增長為中數體積水汽凝結體的直徑是0.4～0.5 cm的理論，相關專家得出“冰雹云初期等效雷達反射率因子為44 dBz”的結論[8]。西寧雷達以5 dBz分檔，為方便使用，以45 dBz作為冰雹預報的臨界值。

45 dBz回波區(qū)對應于云中含水量集中區(qū)，在0 ℃層以下出現45 dBz時，該強回波區(qū)由中數體積直徑大于0.4 cm的大水滴組成，地面只能出現降雨，在0 ℃層以上出現45 dBz值，是由中數體積直徑大于0.4 cm的冰粒子和水粒子混合存在，當云內具有的上升氣流較強，45 dBz出現較高時，就有利于地面降雹發(fā)生[7-8]。

從圖3可以看出，在20個冰雹個例中，45 dBz回波頂高在8 km以上的有17塊，占85%。在10個強降水個例中45 dBz回波頂高均小于等于9 km。其中僅有1個強降水個例45 dBz回波高度在8 km以上，占10%。因此，選擇45 dBz回波頂高為8 km時作為冰雹預警指標。endprint

為了檢驗該參量的性能，定義POD為探測概率，FAR為誤報率，CSI為臨界成功指數，X為雷達探測到的45 dBz回波頂高≥8 km且地面有降雹報道的個例數，Y為地面有降雹報道而45 dBz回波頂高<8 km的個例數。Z為雷達探測到的45 dBz回波頂高≥8 km而地面無冰雹報道的個例數。其中，POD=X/（X+Y），FAR=Z/（X+Z），CSI=X/（X+Y+Z）。在30塊對流云中，符合上述降雹判據的雷達回波為21個，實況降雹17次，漏報3次，空報1次，根據上述評分標準得到對應的POD為85%、FAR為6%、CSI為81%。

4 提前識別及預警個例

本文以發(fā)生在青海省海東市樂都縣境內的一次冰雹天氣過程為例，說明各參量的變化過程。2014年7月25日，位于西寧東部的樂都縣17：19—17：26、17：39—17：56兩時段出現冰雹，造成該區(qū)內受災980 hm2。西寧多普勒雷達較好地監(jiān)測到這次冰雹天氣的演變過程。

7月25日16：03（圖4a），在樂都縣境內有多個對流單體生成，其組合反射率為30 dBz，回波頂高達到12 km，垂直積分液態(tài)水含量（VIL）值達到15 kg/m2。16：10（圖4b），對流單體發(fā)展旺盛，單體在水平尺度和回波強度上都明顯增大，其組合反射率達到50 dBz，回波頂高超過12 km，VIL值達25 kg/m2，45 dBz回波頂高已達9 km。17：18（圖4c），由于單體的迅速發(fā)展，單體強回波面積和強中心高度均明顯增大，組合反射率達到65 dBz，VIL值增至35 kg/m2，45 dBz回波頂高已達9.3 km。據報道，地面17：19—17：26出現降雹。17：39（圖4d），單體持續(xù)旺盛發(fā)展，回波強度持續(xù)不變，保持在65 dBz水平，VIL值增至40 kg/m2，45 dBz回波頂高已達11.2 km。此時地面出現第2次降雹。17：53（圖4e），隨著降雹的發(fā)生，回波強度和尺度明顯減弱。強回波中心移出樂都縣境內，向民和縣方向移動，造成民和縣18：05—18：25出現冰雹，3個村受災，受災56.7 hm2。從16：10對流云在樂都境內（上接第252頁）

生成發(fā)展到17：18首次降雹，可提前1 h識別（預警）冰雹云，這段時間為冰雹醞釀階段，屬防雹最佳時機。

5 結論

（1）本文利用探空資料，分析了冰雹和強降水天氣對應的環(huán)境參數，得到冰雹和強降水0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及500～700、400～500 hPa垂直風切變的變化規(guī)律與相關研究結論基本一致。然而受探空時空分辨率的限制，但從物理量方面區(qū)分冰雹和強降水難度較大，可將探空資料作為對流發(fā)生的初判條件。

（2）通過分析雷達資料發(fā)現，僅利用組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等雷達基本特征參數，不能很好地辨別冰雹云和強降水云，但組合反射率≥55 dBz，回波頂高>9 km，最大垂直液態(tài)含水量≥25 kg/m2，可作為有利于青海省東部地區(qū)降雹的一個基本參考條件。

（3）利用45 dBz雷達強回波高度可較好地識別冰雹云，當回波頂高達到8 km時預示有冰雹出現，其成功概率達85%，臨界成功指數達81%。

（4）通過個例驗證，綜合以上指標，可以很好地識別冰雹云，并具有一定的提前量。這一結論對人工防雹作業(yè)的進行具有一定的指導作用。

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